EP0899861A2 - Stromrichterschaltungsanordnung - Google Patents

Stromrichterschaltungsanordnung Download PDF

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EP0899861A2
EP0899861A2 EP98810629A EP98810629A EP0899861A2 EP 0899861 A2 EP0899861 A2 EP 0899861A2 EP 98810629 A EP98810629 A EP 98810629A EP 98810629 A EP98810629 A EP 98810629A EP 0899861 A2 EP0899861 A2 EP 0899861A2
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voltage
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partial
voltage limiter
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Björn Odegard
Jochen Rees
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ABB Schweiz AG
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
ABB Industrie AG
Asea Brown Boveri AB
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    • H02M5/42—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters
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    • H02M7/02—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H02H7/1216—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for AC-AC converters

Definitions

  • the invention relates to the field of power electronics. It starts from a converter circuit arrangement with a rectifier, in particular in 12-pulse Topology, and an inverter connected via an intermediate circuit according to the preamble of the first claim.
  • a generic converter circuit arrangement comprises a rectifier, which in particular has a 12-pulse topology and a DC link feeds.
  • the rectifier comprises a first partial rectifier, the on a star connection of an AC network is connected, and one second partial rectifier connected to a delta connection of the AC voltage network connected.
  • a DC link can be connected to the partial rectifiers connected, e.g. feeds a downstream converter.
  • the DC link an inverter is connected downstream, e.g. the shape of a three-point inverter can have.
  • the components of this circuit arrangement must With regard to various failures on the rectifier, grid or inverter side to be protected.
  • the intermediate circuit capacitors must not be overloaded.
  • the rectifier In the event of a semiconductor failure the rectifier must suffer consequential damage be kept to a minimum. The same applies to the failure of one Inverter semiconductor.
  • there should also be unusually high grid overvoltages can be intercepted without damage.
  • the object of the invention is to provide a converter circuit arrangement which reliably against the above-mentioned rectifier, grid or inverter side Failures can be protected. This task is characterized by the characteristics of the independent claim solved.
  • the essence of the invention is therefore that a protective circuit between the two partial rectifiers of the rectifier and an average potential of the DC link is switched.
  • One embodiment is characterized in that the protective circuit voltage limiter elements, especially in the form of varistors or related Elements.
  • the voltage limiter elements can also partially be switched on and off.
  • Fig. 1 is a circuit diagram of the invention.
  • Figure 1 shows a circuit diagram of an embodiment of the invention.
  • a three-point inverter 9 is shown on the side of the figure Twelve-pulse rectifier 1, 2 via an intermediate circuit 4 with a plus 5, a minus 6 and a middle potential connection 8 is fed.
  • the intermediate circuit 4 comprises in particular a capacitor bank C1, C2, and the inverter 9 protected from excessive current and voltage edges by a wiring network.
  • the rectifier comprises two partial rectifiers 1 and 2, the first of which with a star connection of an AC network 3 and the second with a Delta connection of the AC voltage network is connected.
  • the rectifier thus has the well-known 12-pulse topology.
  • the inverter 9 also includes the semiconductor switches, e.g. GTOs, a circuit network with two current limiting chokes Ls1, Ls2, two resistors Rs1, Rs2, two wiring diodes Vcl1, Vcl2 and two wiring capacitors Ccl1, Cc12.
  • the protection circuit comprises voltage limiter elements V1, V2, V3, in particular in the form of Varistors.
  • the first voltage limiter element V1 is on the one hand with the first Partial rectifier 1 and a common node 7 connected.
  • the second Voltage limiter element V2 is on the one hand with the second partial rectifier 2 and the common node 7 connected.
  • the third voltage limiter element V3 is with the middle potential connection 8 and the common node 7 connected.
  • the first and second voltage limiter elements 1 and 2 can be designed to be switchable on and off, e.g. a switch S1 or S2 parallel to it.
  • the circuit works as follows:
  • the required protective circuit is also simple and enables saving of numerous other wiring elements, especially the rectifier.

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Abstract

Es wird eine Stromrichterschaltungsanordnung mit einen Gleichrichter, einem Zwischenkreis und einem daran angeschlossenen Wechselrichter angegeben. Um die Schaltung vor Ausfällen und Überspannung zu schützen ist zwischen den beiden Teilgleichrichtern des Gleichrichters eine Schutzschaltung vorgesehen, die insbesondere Varistoren umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie geht aus von einer Stromrichterschaltungsanordnung mit einem Gleichrichter, insbesondere in 12-Puls Topologie, und einem über einen Zwischenkreis nachgeschalteten Wechselrichter nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Stand der Technik
Eine gattungsgemässe Stromrichterschaltungsanordnung umfasst einen Gleichrichter, der insbesondere eine 12-Puls Topologie aufweist und einen Gleichspannungszwischenkreis speist. Der Gleichrichter umfasst einen ersten Teilgleichrichter, der an eine Sternschaltung eines Wechselspannungsnetzes angeschlossen ist, und einen zweiten Teilgleichrichter, der an eine Dreieckschaltung des Wechselspannungsnetzes angeschlossen ist. An die Teilgleichrichter kann ein Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sein, der z.B. einen nachgeschalteten Umrichter speist. Durch die Verwendung der 12-Puls Topologie erzielt man eine Gleichspannung, die sich durch eine äusserst niedrige Welligkeit auszeichnet. Dem Gleichspannungszwischenkreis ist ein Wechselrichter nachgeschaltet, der z.B. die Form eines Dreipunktwechselrichters aufweisen kann. Die Bauelemente dieser Schaltungsanordnung müssen im Hinblick auf verschiedene gleichrichter-, netz- oder wechselrichterseitige Ausfälle geschützt werden. Insbesondere dürfen die Zwischenkreiskondensatoren nicht überladen werden. Bei Ausfall eines Halbleiters der Gleichrichter müssen Folgeschäden auf ein Minimum beschränkt werden. Dasselbe gilt für den Ausfall eines Wechselrichterhalbleiters. Schliesslich sollten auch ungewöhnlich hohe Netzüberspannungen ohne Schaden abgefangen werden können.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Stromrichterschaltungsanordnung anzugeben, die zuverlässig gegen die oben erwähnten gleichtrichter-, netz- oder wechselrichterseitige Ausfälle geschützt werden kann. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Kern der Erfindung ist es also, dass eine Schutzschaltung zwischen den beiden Teilgleichrichtern des Gleichrichters und einem mittleren Potential des Gleichspannungszwischenkreises geschaltet ist.
Eine Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Schutzschaltung Spannungsbegrenzerelemente, insbesondere in der Form von Varistoren oder verwandten Elementen, aufweist. Die Spannungsbegrenzerelemente können teilweise auch ein- und ausschaltbar sein.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den entsprechenden abhängigen Ansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Ein Schaltbild der Erfindung.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Auf der rechten Seite der Figur ist ein Dreipunktwechselrichter 9 dargestellt, der von einem Zwölfpulsgleichrichter 1, 2 über einen Zwischenkreis 4 mit einem Plus- 5, einem Minus- 6 und einem mittleren Potentialanschluss 8 gespeist wird. Der Zwischenkreis 4 umfasst insbesondere eine Kondensatorbank C1, C2, und der Wechselrichter 9 wird durch ein Beschaltungsnetzwerk vor zu hohen Strom- und Spannungsflanken geschützt. Der Gleichrichter umfasst zwei Teilgleichrichter 1 und 2, von denen der erste mit einer Sternschaltung eines Wechselspannungsnetzes 3 und der zweite mit einer Dreieckschaltung des Wechselspannungsnetzes verbunden ist. Der Gleichrichter weist also die bekannte 12-Puls-Topologie auf. Der Wechselrichter 9 umfasst neben der Halbleiterschaltern, z.B. GTOs, ein Beschaltungsnetzwerk mit zwei Strombegrenzungsdrosseln Ls1, Ls2, zwei Widerständen Rs1, Rs2, zwei Beschaltungsdioden Vcl1, Vcl2 und zwei Beschaltungskondensatoren Ccl1, Cc12.
Nach der Erfindung ist nun eine Schutzschaltung 7 zwischen die beiden Teilgleichrichter 1 und 2 und den Mittelpotentialanschluss 8 geschaltet. Die Schutzschaltung umfasst Spannungsbegrenzerelemente V1, V2, V3, insbesondere in der Form von Varistoren. Das erste Spannungsbegrenzerelemente V1 ist einerseits mit dem ersten Teilgleichrichter 1 und einem gemeinsamen Knotenpunkt 7 verbunden. Das zweite Spannungsbegrenzerelement V2 ist einerseits mit dem zweiten Teilgleichrichter 2 und dem gemeinsamen Knotenpunkt 7 verbunden. Das dritte Spannungsbegrenzerelement V3 ist mit dem Mittelpotentialanschluss 8 und dem gemeinsamen Knotenpunkt 7 verbunden. Die ersten und zweiten Spannungsbegrenzerelemente 1 und 2 können ein- und ausschaltbar ausgebildet sein, in dem z.B. ein Schalter S1 oder S2 parallel dazu liegt.
Die Schaltung funktioniert wie folgt:
  • 1. Aufladevorgang des Zwischenkreises: Die Schutzschaltung verhindert zuverlässig eine unerwünschte Überladung der Kondesatorbank C1, C2 des Gleichspannungszwischenkreises 4. Der Aufladevorgang kann wie folgt ablaufen:
    • Der Netzhauptschalter (nicht dargestellt) wird geschlossen. Die Schalter S1 und S2 bleiben offen bis die Zwischenkreisspannung Uzk stationär eingeschwungen ist. Sie ist deutlich kleiner als die Leerlaufspannung Uzk0, wenn die Spannungsbegrenzer V1 und V2 richtig ausgelegt werden.
    • Der Schalter S1 wird geschlossen. Die Zwischenkreisspannung Uzkl erhöht sich, erreicht aber nicht die Leerlaufspannung Uzk10, da der Spannungsbegrenzer V3 eine begrenzende Wirkung hat.
    • S1 wird geöffnet und S2 geschlossen. Die Zwischenkreisspannung Uzk2 erhöht sich, erreicht aber nicht die Leerlaufspannung Uzk20, da der Spannungsbegrenzer V3 eine begrenzende Wirkung hat.
    • S1 wird wieder geschlossen. Die Zwischenkreisspannung überschwingt um den Betrag der Schwellspannung nur leicht, wenn V3 entsprechend ausgelegt wird.
  • 2. Ausfall einer Gleichrichterdiode: Beim Ausfall einer Gleichrichterdiode verhindert die Schutzschaltung gefährliche Folgeausfälle, indem der Begrenzer V3 den daraus folgenden Kurzschlussstrom begrenzt. Dadurch wird ein Überschreiten des Grenzlastintervalls des ausgefallenen Halbleiters verhindert. Um Folgeausfälle im benachbarten Gleichrichter zu vermeiden, müssen die Streuinduktivitäten in den Kurzschlusspfaden aufeinander abgestimmt sein. Die Schutzfunktion ist gewährleistet, ohne dass der Ausfall von der Regelung oder Steuerung erfasst wird.
  • 3. Halbleiter-Ausfall im Wechselrichter: Bei einen Halbleiterausfall im Wechselrichter, der zu einem Kurzschluss einer Hälfte des Zwischenkreises 4 (z.B. C1) führen kann, verhindert die Schutzschaltung gefährliche Folgeausfälle. Dies geschieht dadurch, dass die Schalter S1 und S2 sofort nach Feststellung des Ausfalles geöffnet werden. Dies muss innerhalb von einigen Mikrosekunden nach dem Ausfallzeitpunkt erfolgen. Nach dem Entladen der betroffenen Hälfte des Zwischenkreiskondensators, z.B. C1, bietet V1 eine negative Spannung für den Stromaufbau in der Strombegrenzungsdrossel Ls1 an. Durch gezielte Auslegung von V1 kann ein Überschreiten des Grenzlastintegrals von allen an dem Kurzschluss beteiligten Halbleitern erreicht werden.In diesem Fall ist nun ein Kurzschluss im Wechselrichter 9 vorhanden. Das Netz 3 speist demzufolge über den Teilgleichrichter 1 einen Kurzschlussstrom in den Kurzschlusspfad bis die Netzsicherung trennt oder der Hauptschalter öffnet. Um die Anforderungen an das Energieschluckvermögen des Begrenzers V1 zu reduzieren, können die Schalter S1 und S2 wieder geschlossen werden, nachdem die Schwingungen zwischen C1 und Ls1 abgeklungen sind.Analoge Betrachtungen gelten selbstredend für einen Ausfall im Bereich von C2 bzw. für einen Kurzschluss der beiden Zwischenkreiskondensatoren C1 und C2. Im letztgenannten Fall treten beide Begrenzer V1 und V2 in Aktion.
  • 4. Netzüberspannungen, die den Zwischenkreis unzulässig überladen: Bei Zwischenkreisüberspannung werden die Schalter S1 und S2 geschlossen. Dies verhindert wirksam eine gefährliche Überladung des Zwischenkreises auch bei aussergewöhnlich hohen Netzüberspannungen.
    • Insgesamt erreicht man mit der Erfindung einen sicheren Betrieb einer Stromrichterschaltungsanordnung. Die benötigte Schutzschaltung ist ausserdem einfach aufgebaut und ermöglicht ein Einsparen von zahlreichen sonstigen Beschaltungselemente, insbesondere des Gleichrichters.
    Bezugszeichenliste
    1
    Teilgleichrichter
    2
    Teilgleichrichter
    3
    Wechselspannungsnetz
    4
    Zwischenkreis
    5
    Plusanschluss
    6
    Minusanschluss
    7
    Schutzschaltung
    8
    Mittelpotential
    9
    Wechselrichter
    10
    gemeinsamer Knotenpunkt
    V1, V2, V3
    Spannungsbegrenzerelemente
    S1, S2
    Schalter
    Uzk
    Zwischenkreisspannung
    Uzk1, Uzk2
    Zwischenkreisteilspannungen
    C1, C2
    Zwischenkreiskondensatoren
    Rs1, Rs2
    Beschaltungswiderstände
    Ls1, Ls2
    Strombegrenzungsdrosseln
    Ccl1, Ccl2
    Beschaltungskondensatoren
    Vcl1, Vcl2
    Beschaltungsdioden

    Claims (5)

    1. Stromrichterschaltungsanordnung, umfassend
      einen Gleichrichter (1, 2), insbesondere mit einer 12-Puls Topologie, mit einem ersten Teilgleichrichter (1) und einem zweiten Teilgleichrichter (1), die an ein Wechselspannungsnetz (3) angeschlossen sind und einen Gleichspannungszwischenkreis (4) speisen, wobei der erste Teilgleichrichter (1) mit einem Plusanschluss (5) des Gleichspannungszwischenkreises (4) und der zweite Teilgleichrichter (2) mit einem Minusanschluss (6) des Gleichspannungszwischenkreises (4) verbunden ist,
      einen Wechselrichter (9), der an den Gleichspannungszwischenkreis (4) angeschlossen ist;
      dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzschaltung (7) zwischen die beiden Teilgleichrichter (1,2) und ein mittleres Potential (8) des Gleichspannungszwischenkreises (4) geschaltet ist.
    2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung (7) erste, zweite und dritte Spannungsbegrenzerelemente (V1, V2, V3) umfasst, wobei die ersten Spannungsbegrenzerelemente (V1) einerseits mit dem ersten Teilgleichrichter (1), die zweiten (V2) einerseits mit dem zweiten Teilgleichrichter (2), die dritten (V3) einerseits mit dem mittleren Potential (8) und alle drei andererseits mit einem gemeinsamen Knotenpunkt (10) verbunden sind.
    3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Spannungsbegrenzerelemente (V1, V2) ein- und ausschaltbar sind.
    4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzerelemente (V1, V2, V3) Varistoren oder andere Elemente mit einer verwandten Strom-Spannungscharakteristik umfassen.
    5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Varistoren der ersten und zweiten Spannungsbegrenzerelemente (V1, V2) Schalter (S1, S2) angeordnet sind.
    EP98810629A 1997-08-25 1998-07-06 Stromrichterschaltungsanordnung Expired - Lifetime EP0899861B1 (de)

    Applications Claiming Priority (2)

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    DE19736904 1997-08-25
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    EP0899861A3 EP0899861A3 (de) 2000-06-07
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